氧化鋅納米線基半導(dǎo)體薄膜的制備及其特性.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，作為一種具有低介電常數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的光電、壓電特性的功能材料，ZnO在許多領(lǐng)域、尤其是光電器件領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。ZnO基半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用，主要包括紫外探測器、發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(SLD)等。由于ZnO納米線在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和電子學(xué)特性上，與TiO<,2>相似，預(yù)期在染料敏化太陽能電池(DSSC)方面也應(yīng)該具有較好的應(yīng)用前景。所以，近期有部分學(xué)者將ZnO納

2、米線應(yīng)用于第三代太陽能電池的制作，使得該方面的材料性能與器件結(jié)構(gòu)的研究成為一大熱點(diǎn)。 本論文概述了ZnO基半導(dǎo)體材料的性質(zhì)、特點(diǎn)、制備方法及其性能，重點(diǎn)研究了采用兩步濕化學(xué)法，在玻璃襯底上制備了ZnO納米線，主要開展的工作如下： 第一步，利用sol-gel方法在載玻片上制備含有ZnO納米顆粒的薄膜，作為“種子”襯底。并對(duì)這種“種子”襯底做了原子力顯微鏡(AFM)分析，結(jié)果表明，這種“種子”襯底薄膜為大范圍內(nèi)均勻一致的Zn

3、O納米顆粒薄膜。ZnO納米顆粒尺寸大約是50 nm。均勻一致的“種子”襯底可以起到減小過多的水熱法生長的ZnO納米線和玻璃襯底之間的晶格失配，有利于ZnO的定向生長。同時(shí)也可以使得生長的納米線的直徑分布更窄，更容易得到形貌均勻的納米線。第二步，利用水熱法在第一步制備好的“種子”襯底上生長了高度取向的ZnO納米線。然后對(duì)納米線進(jìn)行了X-光衍射(XRD)、掃描電子形貌圖(SEM)表征，結(jié)果表明通過水熱法制備的ZnO納米線是高度取向的，直徑分

4、布在50-80nm，平均直徑為60 nm，長度大約為2微米。同時(shí)對(duì)該ZnO納米線薄膜作了全可見光范圍內(nèi)的光吸收和透射譜分析，以及光致發(fā)光(PL)測量，結(jié)果表明該ZnO納米線薄膜具有很好的透光性質(zhì)，同時(shí)除了具有很強(qiáng)的紫外發(fā)光 (399 nm)外，還在藍(lán)光(469 nm)和綠光(569 nm)波段有較弱的光致發(fā)光現(xiàn)象。第三步，由于ZnO納米線的生長受到很多生長條件的影響，例如：“種子”襯底質(zhì)量、溶液濃度、生長溫度和生長時(shí)間等。所以本工作中重

5、點(diǎn)進(jìn)行了溶液濃度對(duì)ZnO納米線生長結(jié)構(gòu)影響的研究。對(duì)于相同的“種子”襯底、同樣的水熱生長條件，選取Zn<'2+>濃度不同的溶液，即：0.01M、0.03M和0.05M的Zn<'2+>濃度的生長溶液。然后，采用了X-光衍射(XRD)和掃描電子形貌圖(SEM)表征手段，分別分析了三種不同Zn<'2+>濃度的樣品。從SEM圖可以看到，對(duì)于Zn<'2+>～0.01M的樣品，ZnO納米線的平均直徑大約是30 nm：對(duì)于Zn<'2+>～0.03 M

6、樣品，ZnO納米線的平均直徑大約是60 nm;而當(dāng)Zn<'2+>濃度大于0.05 M時(shí)，ZnO納米棒的平均直徑大約是250 nm。因此，實(shí)驗(yàn)表明，不同Zn<'2+>濃度的溶液，對(duì)生長的ZnO納米線的直徑有直接的影響，隨著濃度的增加納米線的直徑會(huì)增大，其機(jī)理同負(fù)離子配位生長基元的理論模型相一致。即：ZnO納米晶體的生長速度與溶液的過飽和度有關(guān)，過飽和度越小，晶體的生長速度越小。當(dāng)過飽和度減小時(shí)，各個(gè)面族的生長速度差別增大，隨著濃度的減小一